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StartseiteForschung aktuellEin Sensor wie ein Spinnenorgan15.12.2014

Vorbild NaturEin Sensor wie ein Spinnenorgan

Sensoren, die mechanische Vibrationen messen, müssen möglichst empfindlich, aber auch möglichst flexibel und haltbar sein. Ein Forscherteam aus Südkorea hat nun einen neuen Sensor entwickelt - und sich dabei an der Natur orientiert.

Von Franziska Konitzer

Weiterführende Information

Geschmackssinn bei Kolibris - Umgewandelter Sensor für Fleischiges
(Deutschlandfunk, Forschung aktuell, 22.08.2014)

Bei der Partnerwahl und auf Beutejagd verlassen sich Spinnen auf die richtige Schwingung: Mithilfe eines speziellen Sinnesorgans auf ihren Beinen können sie winzige Vibrationen ihrer Netze oder auf Blättern wahrnehmen. Die Geometrie dieses sogenannten Spaltsinnesorgans hat nun Forscher bei der Entwicklung eines hochempfindlichen Sensors für Vibrationen inspiriert:

"Das Spaltsinnesorgan bei Spinnen besteht aus einer weichen Membran und dem darüberliegenden Exoskelett. Das Exoskelett ist dünn und sehr starr und es befinden sich kleine Spalten darin. Für unseren Sensor haben wir also Spalten in einer sehr dünnen und sehr starren Platinschicht erzeugt, die sich über einer flexiblen Polymerschicht befindet."

Erklärt Mansoo Choi von der Seoul National University in Südkorea. Die Spalten in der Platinschicht sind jeweils nur wenige milliardstel Meter breit. Trifft eine mechanische Vibration auf den Sensor, regt sie ihn zum Schwingen an. Er verformt sich also, wird gestaucht und gedehnt – und mit ihm die Spalten.

"Die Spalten öffnen und schließen sich periodisch: Liegt eine Spannung am Sensor an, verändert sich dadurch sein elektrischer Widerstand. Der Sensor leitet den Strom besser, wenn die Spalten geschlossen sind und schlechter, wenn sie geöffnet sind. Wenn man also den elektrischen Widerstand misst, weiß man, welche Kraft von außen einwirkt, zum Beispiel durch Vibrationen."

Stimmvibrationen lassen sich messen

Der Grund, warum die Spaltsinnesorgane bei Spinnen und der Sensor des Teams um Mansoo Choi so empfindlich sind, sind die Spalten selbst: Bei Vibrationen werden sie viel stärker verformt als der Rest des Exoskeletts oder des Sensors. Im Versuch zeigte sich: Wurde der Sensor um 0,5 Prozent seiner Gesamtlänge gestreckt, veränderte sich der elektrische Widerstand 450 Mal mehr als bei einem analogen System ohne Spalte. Daher kann er Vibrationen erfassen, deren Amplitude lediglich zehn Nanometer beträgt – also zehn milliardstel Meter. Auch Stimmvibrationen, die beim Sprechen am Hals entstehen, lassen sich so messen:

"Wir bringen den Sensor am Hals einer Person an und bitten sie, einfache Wörter zu sagen, zum Beispiel: Go! Oder: Stopp! Dann messen wir, wie sich der elektrische Widerstand ändert, während die Person diese Wörter ausspricht und erstellen eine Art Referenzsignal."

Dies ermöglicht den Einsatz des Sensors zur Spracherkennung.

"Wenn eine Person anschließend spricht, können wir das entstehende Signal mit dem Referenzsignal vergleichen. So lässt sich messen, ob sie dasselbe Wort sagt oder ein anderes."

Da der Sensor allein auf die Stimmvibrationen reagiert, funktioniert dies auch in einer lauten Umgebung, in der mikrofonbasierte Spracherkennung an ihre Grenzen stößt. Und damit nicht genug: Am Handgelenk getragen, konnte der Spinnensensor die Herzfrequenz messen. Auf eine Violine geklebt, erkennt er die einzelnen Töne eines gespielten Musikstücks. Neben der hohen Empfindlichkeit betont Mansoo Choi noch weitere Vorteile des von der Natur inspirierten empfindlichen Messfühlers:

"Verglichen mit anderen Sensoren ist unser Sensor flexibel und biegbar. Er könnte also auch in tragbarer Elektronik eingesetzt werden. Und darüber hinaus kann er sehr einfach und sehr günstig hergestellt werden."

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